可靠的車(chē)載電源管理設計和拋負載和冷啟動(dòng)問(wèn)題的解決方案

　　車(chē)載電源管理的要求正變得愈加苛刻，其要求電源能夠工作在更寬泛的輸入電壓范圍、更高的電流及更高的溫度極值條件下。這些要求將使開(kāi)關(guān)模式電源設計成為主流，因為這種電源設計具有更大的靈活性、更優(yōu)異的可配置性和更高的散熱效率。

　　開(kāi)關(guān)模式的電源的核心組件是 DC-DC 轉換器。今天的車(chē)載轉換器必須能夠支持各種運行條件，例如：低壓運行（也就是冷啟動(dòng)）和正瞬態(tài)生存性 (positive transient survivability)（也就是抑制或未抑制的拋負載狀態(tài)）。車(chē)載子系統的出現所帶來(lái)的更高負載需求使得這些數據的設計變得更為復雜。本文將給設計者提供一個(gè)關(guān)于車(chē)載電源需求的簡(jiǎn)要介紹，并且介紹一款由 TI 最近推出的新型 DC-DC 轉換器 TPIC74100。

　　瞬態(tài)保護

　　拋負載

　　幾乎所有直接連接至汽車(chē)電池的電子組件和電路都要求保護，以免于受到抑制、瞬態(tài)電壓（高達60V）和反向電壓狀態(tài)的損害。對于這些電子電路而言，必須能夠經(jīng)受住電源線(xiàn)路上一定程度的過(guò)電壓，這也是種常見(jiàn)的要求。對于那些要求任何特殊車(chē)載電子系統的主電源輸入均能夠在各種不同瞬態(tài)電壓狀態(tài)（包括交流發(fā)電機拋負載）下工作的車(chē)載系統來(lái)說(shuō)尤為如此。

　　由于交流發(fā)電機控制環(huán)路關(guān)閉的速度不夠快，因此，在將電池電壓去除掉時(shí)，其會(huì )產(chǎn)生一個(gè)高輸出電壓脈沖。正常情況下，在汽車(chē)某個(gè)中央位置，這種高能脈沖被控制（或抑制）在一個(gè)較低的電壓范圍內。但是，汽車(chē)制造商還是給其供應商規定了在其電源輸入端可能出現的剩余過(guò)電壓。這種情況在不同轎車(chē)廠(chǎng)商中有所差異，但是轎車(chē)的標準峰值大約為 40V，而商務(wù)車(chē)的標準峰值則大約為 60V。一個(gè)典型拋負載脈沖的持續時(shí)間為十分之幾秒，下圖（圖 1）顯示了該拋負載狀態(tài)下的典型脈沖。



　　儀表板應用中的冷啟動(dòng)

　　車(chē)載環(huán)境對于電源管理芯片的需求正日益增加。這些需求之一便是需要電源管理 IC 能夠在一個(gè)寬電壓偏移范圍內工作，直接連接至電池的電子系統通常都會(huì )有這種電壓偏移范圍。通過(guò)觀(guān)察該冷啟動(dòng)脈沖，可以描述出此類(lèi)瞬態(tài)的一個(gè)實(shí)例。這種狀態(tài)可發(fā)生在寒冷環(huán)境下車(chē)輛的第一次啟動(dòng)。如果溫度足夠低（冷卻至零攝氏度），那么引擎的油就會(huì )變得粘稠，通過(guò)要求提供更高的功率（扭矩），這就對馬達提出了重負載要求。這樣就需要能夠提供更高電流的電池。重負載需求可以在該點(diǎn)火周期內將電池電壓立刻下拉至 3V。



　　我們所面臨的挑戰是，一些應用必須在該過(guò)程中保持運行。這些應用并非只限于動(dòng)力傳動(dòng)系 ECU 或者安全苛求的應用，在一些集群和信息娛樂(lè )子系統中也同樣可以看到這些應用的蹤影。當出現該狀態(tài)時(shí)，電源管理芯片必須對輸入電壓進(jìn)行升壓，以便保持正確的調節輸出電壓，從而使這些電子系統可以正確地發(fā)揮作用。

　　可用于升壓∕降壓轉換的拓撲結構包括若干種類(lèi)：SEPIC（單端初級電感轉換器），或一種純降壓∕升壓轉換器。

　　SEPIC 轉換器
　　
　　SEPIC 轉換器提供了一種降壓轉換，直到輸入電壓等于或者降到輸出電壓電平之下。然后，其將提供升壓轉換，直到電池電壓降至最小容許輸入電壓的電平。使用 SEPIC 的一個(gè)主要弊端是，它需要一個(gè)單耦合電感器（變壓器）或者兩個(gè)單獨電感器，以及一個(gè)耦合電容器，如圖 3 所示。



　　這些電感器和線(xiàn)圈的體積均較大，需要占用更多的 PCB 空間。在那些必須保持體積尺寸和板級空間的應用中，這種情況就更加不適宜。

　　啟動(dòng)降壓－升壓轉換器

　　車(chē)載應用中，對于降壓－升壓轉換器的需求在過(guò)去的幾年中急劇增長(cháng)。對于那些電壓瞬態(tài)期間（例如：冷啟動(dòng)）需要繼續“存活”的應用而言，這就更加有益。

　　該降壓－升壓轉換器是一款典型的 DC-DC 轉換器，其具有一個(gè)大于或者小于輸入電壓振幅的輸出電壓振幅。它是一款開(kāi)關(guān)模式電源，具有同升壓轉換器和降壓轉換器相類(lèi)似的電路拓撲結構。根據開(kāi)關(guān)晶體管的占空比，可是可以對該輸出電壓進(jìn)行調節。

　　這種拓撲結構由一個(gè)降壓功率級及其兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)組成，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)又通過(guò)功率電感被連接至一個(gè)升壓功率級及其兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)能夠以三種不同的運行模式進(jìn)行控制：降壓－升壓模式、降壓模式和升壓模式。運行的特殊芯片模式是輸入到輸出電壓比率的函數，同時(shí)也是芯片的控制拓撲結構。

　　TPIC74100-Q1 是一款降壓－升壓開(kāi)關(guān)模式調節器，其在電源概念下工作，以確保一個(gè)帶輸入電壓偏移和規定負載范圍的穩定輸出電壓。

　　TPIC74100-Q1 擁有完整的電壓模式控制開(kāi)關(guān)，也是在同步配置中被設計出來(lái)的，以獲得整體增強效率。借助于一些外部組件（LC 組合），該器件可將輸出調節至 5V±3％，以實(shí)現一個(gè)寬泛的輸入電壓范圍，使其可以被許多高輸入電壓所應用。當 5V 輸出軌超出規定容差時(shí)，該器件還可提供一種復位功能，用于檢測和指示。

　　TPIC74100-Q1 擁有一個(gè)頻率調制方案，允許系統設計通過(guò)在頻帶上擴散頻譜噪聲（而非在特定頻率上達到峰值）來(lái)滿(mǎn)足 EMC 要求…

　　5Vg 輸出是一種開(kāi)關(guān) 5V 調節輸出，其帶有內部電流限制功能，以在驅動(dòng)一個(gè)電源線(xiàn)路電容性負載時(shí)防止“復位”聲明 (assert)。這種功能由 5Vg_ENABLE 終端控制。如果該輸出（5Vg 輸出）上有一個(gè)接地短路，那么輸出將通過(guò)在斬波模式下運行來(lái)進(jìn)行自我保護。但是，在該故障狀態(tài)下，這樣做就會(huì )增高 VOUT 的輸出紋波電壓。

　　降壓－升壓轉換

　　根據輸入電壓 (Vdriver) 和輸出負載條件的不同，該運行模式在降壓和升壓模式之間進(jìn)行自動(dòng)切換。

　　在正常運行模式中，該系統將會(huì )被配置為一個(gè)降壓轉換器。但是，在低輸入電壓脈沖期間，該器件自動(dòng)地轉換到升壓模式運行，以維持 5V 的電壓調節。當該器件正運行于升壓模式且處于 5.8V 至 5V 的轉換 (crossover) 窗口中時(shí)，輸出調節可能包含一個(gè)高于正常情況的紋波，并且僅維持一個(gè) 3% 的容差。這種紋波和容差取決于負載情況，負載條件越高，性能就越高。

　　低功耗運行

　　在一些應用中，例如：傳動(dòng)系和儀表板群，要求低功耗模式運行以使車(chē)輛點(diǎn)火處于“關(guān)閉”時(shí)的功耗處于最小。TPIC74100-Q1 擁有一個(gè)輸入 LPM，當其在輕負載（通常小于 30mA）期間被開(kāi)啟時(shí)將運行在 PFM（脈沖頻率調制）中。在大多數系統中，許多存儲器設備在點(diǎn)火處于“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)仍然需要一些功率來(lái)保留數據，通常需要不到 100uA 的電流。為了支持這種運行模式，總模耗應低于 300uA。TPIC74100-Q1 擁有 150uA（典型值）靜態(tài)電流的低功耗模式。通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率的變化完成調節。

　　在 PFM 模式下，用于輸出負載的減少的負載電流量是不存在的。在這種模式下，轉換器效率更低，由于更高的負載電流，輸出電壓紋波將比 PWM 模式下稍大一些。實(shí)現低功耗模式功能，以實(shí)現降壓模式運行。在升壓模式條件下，該器件將會(huì )自動(dòng)進(jìn)入 PWM 模式。通過(guò)開(kāi)啟低功耗模式，降壓和升壓之間的轉換還有 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉換將同時(shí)進(jìn)行。

　　結論

　　在許多車(chē)載應用中，車(chē)載瞬態(tài)電壓是一個(gè)將會(huì )不斷給設計人員帶來(lái)挑戰的問(wèn)題。在許多需要在這些條件下不斷保持運行的車(chē)載電源管理系統應用中，或者當電池電壓意外地降到要求輸出電壓電平之下時(shí)，降壓－升壓轉換器將起到一個(gè)關(guān)鍵作用。TPIC74100-Q1 車(chē)載降壓/升壓轉換器將簡(jiǎn)化車(chē)載環(huán)境中的設計，并且使設計工程師可以節省外部組件數量和 PCB 空間（其具有功率開(kāi)關(guān)和同步運行集成的特點(diǎn)）。TPIC74100-Q1 采用一個(gè)具有散熱焊盤(pán)的 20 引腳 PWP 封裝，其規定的工作溫度范圍為 -40℃～+125℃。